CN109180142B - 二氧化硅气凝胶复合绝热材料及其制备方法 - Google Patents

二氧化硅气凝胶复合绝热材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶复合绝热材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：将乙醇、酸催化剂、水和有机硅混合进行水解反应，得到水解液；将水解液和碱催化剂混合进行缩聚反应，得到溶胶；将纤维、亲水型二氧化硅粉体和功能助剂混合，得到预混料；将预混料采用针刺设备制成预制体；在真空条件下，将预制体浸渍在溶胶中，静置，密封老化，得到凝胶复合材料；将凝胶复合材料进行超临界干燥，得到二氧化硅气凝胶复合绝热材料。上述方法可大大减少有机硅的用量，降低生产成本，且制备的材料具有的较好的绝热性能和抗压抗拉性能。

Description

二氧化硅气凝胶复合绝热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及绝热材料技术领域，特别是涉及一种二氧化硅气凝胶复合绝热材料及其制备方法。
背景技术
二氧化硅气凝胶复合绝热材料因其具有防火、憎水、高效保温、高抗压、高抗拉、高抗折等优异特性已广泛应用于电力、石油石化高温蒸汽管道、稠油注气管线、市政供暖地埋管线、机械保温、高铁地铁车体保温、新能源汽车隔热等诸多领域。建筑保温作为保温节能领域最大的市场，也是二氧化硅气凝胶复合绝热材料未来重点发展的方向，当前因其市场价格(1.2～1.5万/m3)是传统材料价格的5～10倍，同时考虑到运输和施工等综合因素，使用二氧化硅气凝胶复合绝热材料的综合成本约为传统保温材料的3～6倍，在建筑领域仅有小批量试验性应用。
传统的二氧化硅气凝胶复合绝热材料生产成本高的主要原因有以下几点：(1)原料成本高：传统技术大多采用有机硅作为硅源，如正硅酸乙酯等，通过在乙醇溶剂中将有机硅进行酸性条件下的水解反应生成原硅酸，然后在碱性条件下进行缩聚，在均匀的液相条件下，生成二氧化硅，二氧化硅气凝胶复合绝热材料中所含有的二氧化硅均由有机硅生成。1000公斤的正硅酸乙酯(硅28)仅能生成280kg的二氧化硅，且有机硅价格高昂；2017年之前，生产一平米10mm气凝胶材料，有机硅源材料成本就高达30元，成本占比近50％。(2)化工原料成本增长快：2018年以来，国际原油持续上涨，国内环保日益严格，众多小型化工厂关闭，导致供应不足，有机硅原料价格由2017年前的1.1万/吨上涨至1.7万/吨，上涨30％，使生产成本愈发高昂。
二氧化硅气凝胶复合绝热材料当前昂贵的生产成本极大的限制了其向建筑领域扩展的步伐，所以生产中低成本的二氧化硅气凝胶复合绝热材料成为能否突破建筑大市场应用的决定性因素；二氧化硅气凝胶复合绝热材料的成本越低，市场应用规模越大。
发明内容
基于此，有必要提供一种能有效减少有机硅用量的低成本二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法。
此外，本申请还提供一种二氧化硅气凝胶复合绝热材料。
一种二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，包括以下步骤：
将有机硅在乙醇溶剂中进行酸性条件下的水解反应，得到水解液；
将所述水解液在碱性条件下进行缩聚反应，得到溶胶；
将质量比为1:0.01～0.5:0～0.3的纤维、亲水型二氧化硅粉体和功能助剂混合，得到预混料；
将所述预混料经挤压、针刺制成预制体；
在真空条件下，将所述预制体浸渍在所述溶胶中，静置，密封老化，得到凝胶复合材料；
将所述凝胶复合材料进行超临界干燥，得到二氧化硅气凝胶复合绝热材料。
上述二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，将亲水型二氧化硅粉体和功能助剂先分散于纤维中，制成预制体，再将该预制体浸渍在事先通过有机硅水解缩聚制得的溶胶中，除水解液中的原硅酸单体间在碱性条件下发生缩聚反应生成二氧化硅长链高分子结构外，原硅酸及其部分缩聚产物的表面羟基还会与亲水型二氧化硅粉体表面的羟基在碱性条件下发生脱水缩合反应，使原硅酸产生的二氧化硅与亲水型粉体通过化学键-O-Si-O-实现有效交联，形成一个整体结构的果冻状凝胶体，经超临界干燥后即制得高效隔热的二氧化硅气凝胶复合绝热材料，相较于传统方法二氧化硅气凝胶复合绝热材料中的二氧化硅均由有机硅得到，本申请中因大量价格低廉的亲水型二氧化硅粉体的加入，使有机硅的使用量仅为传统方法中有机硅使用量的1/5～1/2，大大降低了生产成本。
此外，将亲水型二氧化硅粉体和功能助剂预先分散于纤维中，制成预制体，可使亲水型二氧化硅粉体和功能助剂在纤维中均匀分散，有利于实现基团交联，从而加强材料整体的结构性，进一步提升产品的绝热及抗拉抗压性能。
在其中一个实施例中，所述将有机硅在乙醇溶剂中进行酸性条件下的水解反应，得到水解液的步骤具体为：
将质量比为1:0.0～0.04:0.01～0.1:0.05～0.15的乙醇、酸催化剂、水和有机硅混合进行水解反应，得到水解液；
将所述水解液在碱性条件下进行缩聚反应，得到溶胶的步骤具体为：将质量比为1:0.01～0.08的水解液和碱催化剂混合进行缩聚反应，得到溶胶；
在其中一个实施例中，所述纤维选自无碱玻纤、高硅氧纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、聚酯纤维、预氧丝纤维及碳纤维中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述亲水型二氧化硅粉体选自沉淀法白炭黑及气相法白炭黑中的至少一种；所述亲水型二氧化硅粉体的孔径为2nm～50nm，粒径为5μm～50μm。
在其中一个实施例中，所述功能助剂选自纳米氧化锆粉体、纳米氧化铝粉体、纳米氧化镁粉体、纳米二氧化钛粉体及纳米氧化铁粉体中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述有机硅选自正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷及三甲基乙氧基硅烷中的至少一种；所述酸催化剂为浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的硝酸溶液或浓度为0.05mol/L～0.25mol/L的硫酸溶液；所述碱催化剂为浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的氨水溶液、浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的氢氧化钠溶液或饱和的生石灰水溶液。
在其中一个实施例中，所述浸渍的时间为20分钟以上，静置的时间为1小时以上，密封老化的时间为12小时以上。
在其中一个实施例中，所述真空的条件为-0.01MPa以下。
上述任一项所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法制得的二氧化硅气凝胶复合绝热材料。
在其中一个实施例中，所述二氧化硅气凝胶复合绝热材料为二氧化硅气凝胶复合绝热毡。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施方式的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，包括以下步骤：
S110、将有机硅在乙醇溶剂中进行酸性条件下的水解反应，得到水解液。
具体的，步骤S110为：将质量比为1:0.01～0.04:0.01～0.1:0.05～0.15的乙醇、酸催化剂、水和有机硅混合进行水解反应，得到水解液。
进一步的，为了产品的稳定性，步骤S110中各原料的加入顺序为：乙醇、酸催化剂、水和有机硅依次加入。
进一步的，酸催化剂为0.1mol/L～0.5mol/L的硝酸溶液或0.05mol/L～0.25mol/L的硫酸溶液。
可以理解，通过合理控制乙醇、酸催化剂、水和有机硅的用量比例及酸的浓度，可有效控制体系的pH值在一定范围。
进一步的，有机硅选自正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷及三甲基乙氧基硅烷中的至少一种。
进一步的，乙醇为质量含量98％以上的食用级乙醇，以免引入卤素离子，影响制品在奥氏体不锈钢上的使用。
将有机硅在乙醇溶剂中进行酸性条件下的水解反应，得到原硅酸。
S120、将水解液在碱性条件下进行缩聚反应，得到溶胶。
具体的，步骤S120为：将质量比为1:0.01～0.08的水解液和碱催化剂混合进行缩聚反应，得到溶胶。
在本实施方式中，碱催化剂为0.1mol/L～0.5mol/L的氨水溶液、0.1mol/L～0.5mol/L的氢氧化钠溶液或饱和的生石灰水溶液。
将水解液在碱性条件下进行缩聚反应，原硅酸单体间在碱性条件下发生缩聚反应生成二氧化硅长链高分子结构。
S130、将质量比为1:0.01～0.5:0～0.3的纤维、亲水型二氧化硅粉体和功能助剂混合，得到预混料。
其中，纤维选自无碱玻纤、高硅氧纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、聚酯纤维、预氧丝纤维及碳纤维中的至少一种。
在本实施方式中，纤维的直径为3μm～20μm，长度为0.5cm～8cm。
可以理解，通过合理控制纤维的直径和长度，有助于亲水型二氧化硅粉体和功能助剂在纤维中分布均匀。
进一步的，亲水型二氧化硅粉体选自沉淀法白炭黑及气相法白炭黑中的至少一种。
进一步的，亲水性二氧化硅粉体的孔径为2nm～50nm，粒径为5μm～50μm。
亲水型二氧化硅粉体可用SiO2·nH2O表示，其中nH2O以表面羟基的形式存在，因此将亲水型二氧化硅粉体预先分散在纤维中制成预制体后，浸渍在由有机硅水解缩聚制成的溶胶中，可在溶胶中碱性催化剂的催化下与原硅酸及其部分缩聚产物的表面羟基发生脱水缩合反应，从而使原硅酸产生的二氧化硅与亲水型二氧化硅粉体通过化学键-O-Si-O-实现有效交联，形成一个整体结构的果冻状凝胶体，经超临界干燥即可制得高效隔热的二氧化硅气凝胶复合绝热材料，相较于传统制备方法，有效减少了有机硅的使用量，降低了生产成本，并且提高了产品的绝热性能和抗压抗拉性能。
进一步的，功能助剂选自纳米氧化锆粉体、纳米氧化铝粉体、纳米氧化镁粉体、纳米二氧化钛粉体及纳米氧化铁粉体中的至少一种。
其中，纳米氧化锆粉体、纳米氧化铝粉体、纳米氧化镁粉体为耐高温填充料；纳米二氧化钛粉体为高温反辐射剂；纳米氧化铁粉体为耐高温遮光剂。
需要说明的是，步骤S130的顺序不限，可以在步骤S110～S120之前、之后进行，也可以和步骤S110～S120同时进行。
通过调整纤维、亲水型二氧化硅粉体和功能助剂的质量比为1:0.01～0.5:0～0.3，可使产品具有不同功能的同时，保持较好的抗压抗拉性能。
S140、将上述预混料经挤压、针刺制成预制体。
具体的，步骤S140采用无纺布针刺设备或气流成网针刺设备制成预制体。
进一步的，预制体为圆柱状卷材，便于操作和浸渍的均匀性。
可以理解，将预混料经挤压、针刺制成预制体，可使预制体中形成均匀的空隙，有利于后续溶胶的渗入，有利于实现基团交联，从而使材料整体结构性越强，进一步提升最终制品的绝热及抗拉抗压性能。
S150、在真空条件下，将上述预制体浸渍在溶胶中，静置，密封老化，得到凝胶复合材料。
其中，真空条件为-0.01MPa以下。
具体的，在本实施方式中，将上述预制体装入真空容器中，抽真空至-0.01MPa以下，利用真空负压吸入溶胶至液面没过预制体最高点进行浸渍。
进一步的，浸渍的时间为20分钟以上。静置的时间为1小时以上。密封老化的时间为12小时以上。
在本实施方式中，浸渍的时间为20～30分钟。静置的时间为1～3小时。密封老化的时间为12～48小时。
静置和密封老化的作用是：使亲水型二氧化硅纳米粉体、功能助剂表面的羟基以及水解液有足够的时间继续发生缩聚反应，形成新的-O-Si-O-基团，静置和密封老化的时间越长，基团交联效果越好，材料结构整体性越强。
S160、将上述凝胶复合材料进行超临界干燥，得到二氧化硅气凝胶复合绝热材料。
具体的，在本实施方式中，将上述预混料采用无纺布针刺设备或气流成网针刺设备编织成预设厚度的卷毡，复卷成固定宽度特定卷径的规则圆柱状卷材，装入对应卷径尺寸的浸渍桶内；将浸渍桶吊装进入真空浸渍罐中，抽真空至-0.01MPa，利用真空负压吸入溶胶至液面没过卷材最高点进行浸渍，静置，密封老化，得到凝胶复合材料；将该凝胶复合材料进行超临界干燥，得到二氧化硅气凝胶复合绝热毡。
上述二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，将亲水型二氧化硅粉体和功能助剂先分散于纤维中，制成预制体，再将该预制体浸渍在事先通过有机硅水解缩聚制得的溶胶中，除水解液中的原硅酸单体间在碱性条件下发生缩聚反应生成二氧化硅长链高分子结构外，原硅酸及其部分缩聚产物的表面羟基还会与亲水型二氧化硅粉体表面的羟基在碱性条件下发生脱水缩合反应，使原硅酸产生的二氧化硅与亲水型粉体通过化学键-O-Si-O-实现有效交联，形成一个整体结构的果冻状凝胶体，经超临界干燥后即制得高效隔热的二氧化硅气凝胶复合绝热材料，相较于传统方法二氧化硅气凝胶复合绝热材料中的二氧化硅均由有机硅得到，本申请中中因大量价格低廉的亲水型二氧化硅粉体的加入，使有机硅的使用量仅为传统方法中有机硅使用量的1/5～1/2，大大降低了生产成本。
以下为具体实施例。
实施例1
将质量比为1:0.01:0.01:0.05的乙醇、0.2mol/L的硝酸溶液、水和正硅酸乙酯混合进行水解反应，得到水解液；
将质量比为1:0.01的水解液和0.3mol/L的氨水溶液混合进行缩聚反应，得到溶胶；
将质量比为1:0.01:0.15:0.15的无碱玻纤、沉淀法白炭黑(孔径为5nm，粒径为6μm)、纳米氧化锆粉体和纳米氧化铝粉体混合，得到预混料；
将预混料经挤压、针刺制成预制体，将预制体装入真空容器中，抽真空至-0.01MPa，利用真空负压吸入溶胶至液面没过预制体最高点进行浸渍，控制浸渍时间为20分钟，静置1小时，密封老化12小时，得到凝胶复合材料；
将凝胶复合材料进行超临界干燥，得到二氧化硅气凝胶复合绝热材料。
实施例2
将质量比为1:0.04:0.1:0.15的乙醇、0.25mol/L的硫酸溶液、水和甲基三乙氧基硅烷混合进行水解反应，得到水解液；
将质量比为1:0.08的水解液和0.5mol/L的氢氧化钠溶液混合进行缩聚反应，得到溶胶；
将质量比为1:0.5:0.1:0.1的陶瓷纤维、气相法白炭黑(孔径20nm，粒径20μm)、纳米二氧化钛粉体和纳米氧化铁粉体混合，得到预混料；
将预混料经挤压、针刺制成预制体，将预制体装入真空容器中，抽真空至-0.01MPa，利用真空负压吸入溶胶至液面没过预制体最高点进行浸渍，控制浸渍时间为30分钟，静置3小时，密封老化48小时，得到凝胶复合材料；
将凝胶复合材料进行超临界干燥，得到二氧化硅气凝胶复合绝热材料。
实施例3
将质量比为1:0.02:0.05:0.10的乙醇、0.05mol/L的硫酸溶液、水和二甲基二乙氧基硅烷混合进行水解反应，得到水解液；
将质量比为1:0.04的水解液和饱和的生石灰水溶液混合进行缩聚反应，得到溶胶；
将质量比为1:0.3的陶瓷纤维和气相法白炭黑(孔径为50nm，粒径为50μm)混合，得到预混料；
将预混料经挤压、针刺制成预制体，将预制体装入真空容器中，抽真空至-0.01MPa，利用真空负压吸入溶胶至液面没过预制体最高点进行浸渍，控制浸渍时间为25分钟，静置2小时，密封老化24小时，得到凝胶复合材料；
将凝胶复合材料进行超临界干燥，得到二氧化硅气凝胶复合绝热材料。
对比例1
对比例1与实施例3基本相同，不同的是，对比例1中将气相法白炭黑与溶胶混合后再用于浸渍仅由陶瓷纤维制备的纤维预制体。
对比例2
对比例2与实施例3基本相同，不同的是，对比例2中陶瓷纤维和气相法白炭黑的质量比为1:1。
实施例1～3和对比例1～2制备的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的性能见表1。
表1
Figure BDA0001835146320000101
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将有机硅在乙醇溶剂中进行酸性条件下的水解反应，得到水解液；
将所述水解液在碱性条件下进行缩聚反应，得到溶胶；
将质量比为1:0.01～0.5:0～0.3的纤维、亲水型二氧化硅粉体和功能助剂混合，得到预混料；
将所述预混料经挤压、针刺制成预制体；
在真空条件下，将所述预制体浸渍在所述溶胶中，静置，密封老化，得到凝胶复合材料；
将所述凝胶复合材料进行超临界干燥，得到二氧化硅气凝胶复合绝热材料。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，其特征在于，所述将有机硅在乙醇溶剂中进行酸性条件下的水解反应，得到水解液的步骤具体为：
将质量比为1:0.01～0.04:0.01～0.1:0.05～0.15的乙醇、酸催化剂、水和有机硅混合进行水解反应，得到水解液；
将所述水解液在碱性条件下进行缩聚反应，得到溶胶的步骤具体为：将质量比为1:0.01～0.08的所述水解液和碱催化剂混合进行缩聚反应，得到溶胶。
3.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，其特征在于，所述纤维选自无碱玻纤、高硅氧纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、聚酯纤维、预氧丝纤维及碳纤维中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，其特征在于，所述亲水型二氧化硅粉体选自沉淀法白炭黑及气相法白炭黑中的至少一种；所述亲水型二氧化硅粉体的孔径为2nm～50nm，粒径为5μm～50μm。
5.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，其特征在于，所述功能助剂选自纳米氧化锆粉体、纳米氧化铝粉体、纳米氧化镁粉体、纳米二氧化钛粉体及纳米氧化铁粉体中的至少一种。
6.根据权利要求2所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，其特征在于，所述有机硅选自正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷及三甲基乙氧基硅烷中的至少一种；所述酸催化剂为0.1mol/L～0.5mol/L的硝酸溶液或0.05mol/L～0.25mol/L的硫酸溶液；所述碱催化剂为0.1mol/L～0.5mol/L的氨水溶液、0.1mol/L～0.5mol/L的氢氧化钠溶液或饱和的生石灰水溶液。
7.根据权利要求1～6任一项所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，其特征在于，所述浸渍的时间为20分钟以上，静置的时间为1小时以上，密封老化的时间为12小时以上。
8.根据权利要求1～6任一项所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法，其特征在于，所述真空条件为-0.01Mpa以下。
9.权利要求1～8任一项所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料的制备方法制得的二氧化硅气凝胶复合绝热材料。
10.根据权利要求9所述的二氧化硅气凝胶复合绝热材料，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶复合绝热材料为二氧化硅气凝胶复合绝热毡。
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